Un equipo del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía ha realizado una serie de experimentos para obtener una mejor comprensión de la mecánica cuántica y perseguir avances en redes cuánticas y computación cuántica. lo que podría conducir a aplicaciones prácticas en ciberseguridad y otras áreas.

Los investigadores cuánticos de ORNL Joseph Lukens, Pavel Lougovski, Brian Williams, y Nicholas Peters, junto con colaboradores de la Universidad Purdue y la Universidad Tecnológica de Pereira en Colombia, resumieron los resultados de varios de sus artículos académicos recientes en una edición especial de la Optical Society. Noticias de Óptica y Fotónica , que mostró algunos de los resultados más significativos de la investigación relacionada con la óptica en 2019. Su entrada fue una de las 30 seleccionadas para su publicación de un grupo de 91.

Los "bits" de computadora convencionales tienen un valor de 0 o 1, pero bits cuánticos, llamado "qubits, "puede existir en una superposición de estados cuánticos etiquetados como 0 y 1. Esta capacidad hace que los sistemas cuánticos sean prometedores para transmitir, Procesando, almacenamiento y cifrar grandes cantidades de información a velocidades sin precedentes.

Para estudiar los fotones, partículas individuales de luz que pueden actuar como qubits, los investigadores emplearon fuentes de luz llamadas peines de frecuencia óptica cuántica que contienen muchas longitudes de onda definidas con precisión. Debido a que viajan a la velocidad de la luz y no interactúan con su entorno, los fotones son una plataforma natural para transportar información cuántica a largas distancias.

Las interacciones entre fotones son notoriamente difíciles de inducir y controlar, pero estas capacidades son necesarias para computadoras cuánticas y puertas cuánticas efectivas, que son circuitos cuánticos que operan en qubits. Las interacciones fotónicas inexistentes o impredecibles hacen que las puertas cuánticas de dos fotones sean mucho más difíciles de desarrollar que las puertas estándar de un fotón. pero los investigadores alcanzaron varios hitos importantes en estudios recientes que abordaron estos desafíos.

Por ejemplo, hicieron ajustes a los equipos de telecomunicaciones existentes utilizados en la investigación de la óptica para optimizarlos para la fotónica cuántica. Sus resultados revelaron nuevas formas de utilizar estos recursos para la comunicación tanto tradicional como cuántica.

"El uso de este equipo para manipular estados cuánticos es la base tecnológica de todos estos experimentos, pero no esperábamos poder movernos en la otra dirección y mejorar la comunicación clásica trabajando en la comunicación cuántica, ", Dijo Lukens." Estos hallazgos interesantes e inesperados han aparecido a medida que profundizamos en esta área de investigación ".

Una de esas herramientas, un divisor de haz de frecuencia, divide un solo haz de luz en dos frecuencias, o colores, de luz.

"Imagina que tienes un rayo de luz que baja por una fibra óptica que tiene una frecuencia particular, decir, rojo, "Dijo Lukens." Entonces, después de pasar por el divisor de haz de frecuencia, el fotón saldrá como dos frecuencias, por lo que será rojo y azul ".

Los miembros de este equipo fueron los primeros investigadores en diseñar con éxito un divisor de haz de frecuencia cuántica con tecnología de comunicaciones por ondas de luz estándar. Este dispositivo toma fotones rojos y azules simultáneamente, luego produce energía en la frecuencia roja o azul. Al usar este método para cambiar deliberadamente las frecuencias de los fotones, el equipo engañó a las partículas obstinadas en interacciones beneficiosas basadas en la interferencia cuántica, el fenómeno de los fotones que interfieren con sus propias trayectorias.

"Resultó que los dispositivos estándar pueden ofrecer un control impresionante a nivel de fotón único, que la gente no sabía que era posible, "Dijo Lougovski.

Adicionalmente, los investigadores completaron la primera demostración de un tritter de frecuencia, que divide un haz de luz en tres frecuencias diferentes en lugar de dos. Sus resultados indicaron que se pueden ejecutar múltiples operaciones de procesamiento de información cuántica al mismo tiempo sin introducir errores ni dañar los datos.

Otro logro clave fue el diseño del equipo y la demostración de una puerta NO controlada por coincidencia, lo que permite que un fotón controle un cambio de frecuencia en otro fotón. Este dispositivo completó un conjunto de puerta cuántica universal, lo que significa que cualquier algoritmo cuántico puede expresarse como una secuencia dentro de esas puertas.

"Las aplicaciones de computación cuántica requieren niveles de control mucho más impresionantes que cualquier tipo de computación clásica, "Dijo Lougovski.

El equipo también codificó información cuántica en múltiples valores independientes conocidos como grados de libertad dentro de un solo fotón. lo que les permitió observar efectos similares al entrelazamiento cuántico sin necesidad de dos partículas separadas. El entrelazamiento generalmente involucra dos partículas unidas en las que los cambios realizados en el estado de una partícula también se aplican a la otra.

Finalmente, los investigadores han completado simulaciones cuánticas de problemas físicos del mundo real. En colaboración con científicos del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, ahora se están desarrollando diminutos, chips de silicio especializados similares a los comunes en microelectrónica en busca de un rendimiento fotónico aún mejor.

"En teoria, podemos obtener todas estas operaciones en un solo chip fotónico, y vemos mucho potencial para hacer experimentos cuánticos similares en esta nueva plataforma, ", Dijo Lukens." Ese es el siguiente paso para hacer avanzar realmente esta tecnología ".

Las futuras computadoras cuánticas permitirán a los científicos simular problemas científicos increíblemente complejos que serían imposibles de estudiar en los sistemas actuales. incluso supercomputadoras. Mientras tanto, Los hallazgos del equipo podrían ayudar a los investigadores a integrar sistemas fotónicos en los recursos informáticos actuales de alto rendimiento.

"Tenemos un equipo muy diverso y talentoso, ", Dijo Lougovski." Lo más importante es que estamos obteniendo resultados ".